12月10日，谷歌通過官方博客宣布，其最新的量子計(jì)算芯片“Willow”得了兩項(xiàng)重大成就：
1、Willow可以在使用更多量子比特（擁有105個(gè)物理量子比特）的情況下，成倍地減少錯(cuò)誤，破解了近30年來一直在研究的量子糾錯(cuò)挑戰(zhàn)。
2、Willow可以在不到5分鐘內(nèi)完成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)計(jì)算，而當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要完成這一計(jì)算需要10^25（10000000000000000000000000）年的時(shí)間，這一時(shí)間比宇宙的年齡還長(zhǎng)。
谷歌量子 AI 實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人哈特穆特內(nèi)文（Hartmut Neven）稱，“當(dāng)我在2012年創(chuàng)立谷歌量子人工智能時(shí)，我的愿景是建立一個(gè)有用的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，可以利用量子力學(xué)我們今天所知道的自然界的“操作系統(tǒng)”通過推進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、開發(fā)有用的應(yīng)用程序和應(yīng)對(duì)一些社會(huì)最大的挑戰(zhàn)來造福社會(huì)。Willow芯片的推出，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵的技術(shù)突破，使我們朝著商業(yè)相關(guān)應(yīng)用的方向邁出了重要的一步。”
不過，哈特穆特內(nèi)文也承認(rèn)，能夠?qū)嶋H應(yīng)用于商業(yè)場(chǎng)景的量子計(jì)算機(jī)在2030年之前可能不會(huì)出現(xiàn)。
△谷歌量子硬件總監(jiān) Julian Kelly 通過視頻介紹Willow 及其突破性成就
指數(shù)級(jí)的提升量子糾錯(cuò)能力
錯(cuò)誤是量子計(jì)算中最大的挑戰(zhàn)之一，因?yàn)榱孔颖忍兀孔佑?jì)算機(jī)中的計(jì)算單位）傾向于與環(huán)境快速交換信息，這使得很難保護(hù)完成計(jì)算所需的信息。通常，你使用的量子位越多，發(fā)生的錯(cuò)誤就越多。
然而，Willow量子芯片實(shí)現(xiàn)了使用的量子位越多，減少的錯(cuò)誤就越多，系統(tǒng)可用的量子就越多的驚人成就。
谷歌測(cè)試了越來越大的物理量子位陣列，從3x3編碼量子位的網(wǎng)格擴(kuò)展到5x5的網(wǎng)格，再到7x7的網(wǎng)格。每次的擴(kuò)展，谷歌都能在量子糾錯(cuò)方面取得最新進(jìn)展，即都能將錯(cuò)誤率減半。
換句話說，谷歌實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤率的指數(shù)級(jí)下降。這一歷史性成就在該領(lǐng)域被稱為“低于閾值”能夠在減少錯(cuò)誤的同時(shí)擴(kuò)大量子比特的數(shù)量。你必須證明自己低于閾值，才能在糾錯(cuò)方面取得真正的進(jìn)展，自1995年P(guān)eter Shor引入量子糾錯(cuò)以來，這一直是一個(gè)突出的挑戰(zhàn)。
這一成就還涉及其他科學(xué)“第一”。例如，這也是超導(dǎo)量子系統(tǒng)上實(shí)時(shí)糾錯(cuò)的第一個(gè)引人注目的例子之一，這對(duì)任何有用的計(jì)算都至關(guān)重要，因?yàn)槿绻悴荒茏銐蚩斓丶m正錯(cuò)誤，它們會(huì)在計(jì)算完成之前破壞你的計(jì)算結(jié)果。這是一個(gè)“超越盈虧平衡”的演示，谷歌的量子比特陣列的壽命比單個(gè)物理量子比特的壽命更長(zhǎng)，這是糾錯(cuò)正在改善整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)不可忽視的跡象。
作為第一個(gè)低于閾值的系統(tǒng)，這是迄今為止構(gòu)建的可擴(kuò)展邏輯量子比特最令人信服的原型。這是一個(gè)強(qiáng)有力的跡象，表明確實(shí)可以建造有用的、非常大的量子計(jì)算機(jī)。Willow使我們更接近于運(yùn)行實(shí)用的、商業(yè)上相關(guān)的算法，這些算法無法在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上復(fù)制。
5分鐘完成經(jīng)典超算100億兆年的計(jì)算量
作為Willow性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，谷歌使用了隨機(jī)電路采樣（RCS）基準(zhǔn)。RCS現(xiàn)在也被廣泛用作該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今量子計(jì)算機(jī)上可以完成的經(jīng)典的最難的基準(zhǔn)。
你可以把這看作是量子計(jì)算的切入點(diǎn)它檢查量子計(jì)算機(jī)是否在做經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的事情。任何構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的團(tuán)隊(duì)都應(yīng)該首先檢查它是否能在RCS上擊敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)。否則，人們有充分的理由懷疑它能否解決更復(fù)雜的量子任務(wù)。谷歌一直使用這一基準(zhǔn)來評(píng)估從一代芯片到下一代芯片的進(jìn)展。
Willow在這個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試中的表現(xiàn)令人驚訝：它在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)完成了一次計(jì)算，這將需要當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)則需要10^25（10000000000000000000000000）年，這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙的年齡。
如下圖所示，Willow的這些最新測(cè)試結(jié)果是也迄今為止表現(xiàn)最好的，谷歌表示還將會(huì)繼續(xù)取得進(jìn)展。
△計(jì)算成本深受可用內(nèi)存的影響。因此，谷歌的估計(jì)考慮了一系列場(chǎng)景，從具有無限內(nèi)存的理想情況（▲）到GPU上更實(shí)用、更尷尬的并行化實(shí)現(xiàn)（）。
谷歌對(duì)Willow如何超越世界上最強(qiáng)大的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)之一Frontier的評(píng)估是基于保守的假設(shè)。例如，可以完全訪問輔助存儲(chǔ)，即硬盤驅(qū)動(dòng)器，而不會(huì)產(chǎn)生任何帶寬開銷這對(duì)Frontier來說是一個(gè)慷慨而不切實(shí)際的允許。當(dāng)然，正如谷歌在2019年宣布第一個(gè)超越經(jīng)典計(jì)算之后所發(fā)生的那樣，谷歌預(yù)計(jì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)將在這個(gè)基準(zhǔn)上不斷改進(jìn)，但快速增長(zhǎng)的差距表明，量子處理器正在以雙指數(shù)的速度剝離，隨著量子比特?cái)?shù)量的擴(kuò)大，它將繼續(xù)大大優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
最先進(jìn)的量子計(jì)算芯片
Willow是在谷歌位于美國(guó)圣巴巴拉的最先進(jìn)的新制造工廠制造的，這是世界上為數(shù)不多的為此目的從頭開始建造的工廠之一。系統(tǒng)工程是設(shè)計(jì)和制造量子芯片的關(guān)鍵：芯片的所有組件，如單量子比特門和雙量子比特門、量子比特復(fù)位和讀出，都必須同時(shí)進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)和集成。如果任何組件延遲或兩個(gè)組件不能很好地協(xié)同工作，則會(huì)降低系統(tǒng)性能。
因此，最大化系統(tǒng)性能為谷歌的工藝的各個(gè)方面提供了信息，從芯片架構(gòu)和制造到柵極開發(fā)和校準(zhǔn)。谷歌報(bào)告的成就是從整體上評(píng)估了量子計(jì)算系統(tǒng)，而不僅僅是一次評(píng)估一個(gè)因素。
谷歌更為關(guān)注的是質(zhì)量，而不僅僅是數(shù)量因?yàn)槿绻孔颖忍氐馁|(zhì)量不夠高，僅僅生產(chǎn)更多的量子比特是沒有幫助的。
憑借出色的低錯(cuò)誤率和105個(gè)量子比特，Willow現(xiàn)在在上述兩個(gè)系統(tǒng)基準(zhǔn)測(cè)試中具有同類最佳的性能：量子糾錯(cuò)和隨機(jī)電路采樣。這種算法基準(zhǔn)測(cè)試是衡量整體芯片性能的最佳方法。
其他更具體的績(jī)效指標(biāo)也很重要；例如，Willow的T1時(shí)間（衡量量子比特可以保持激發(fā)多長(zhǎng)時(shí)間）關(guān)鍵的量子計(jì)算資源現(xiàn)在接近100微秒。這比谷歌上一代量子芯片提高了約5倍，令人印象深刻。
如果你想評(píng)估量子硬件并跨平臺(tái)進(jìn)行比較，下面這里有一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格表：
△Willow在多個(gè)指標(biāo)上的表現(xiàn)
谷歌Willow和其量子計(jì)算廠商的下一步是什么？
量子計(jì)算領(lǐng)域的下一個(gè)挑戰(zhàn)，是在當(dāng)今的量子芯片上展示與現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用相關(guān)的第一個(gè)“有用的、超越經(jīng)典的”計(jì)算。谷歌樂觀地認(rèn)為，Willow一代芯片可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
到目前為止，已經(jīng)有兩種不同類型的實(shí)驗(yàn)。一方面，谷歌運(yùn)行了RCS基準(zhǔn)測(cè)試，該測(cè)試針對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)衡量性能，但沒有已知的實(shí)際應(yīng)用。另一方面，谷歌對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行了科學(xué)上有趣的模擬，這導(dǎo)致了新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，但仍然在經(jīng)典計(jì)算機(jī)的范圍內(nèi)。谷歌的目標(biāo)是同時(shí)做到這兩點(diǎn)進(jìn)入經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算法領(lǐng)域，這些算法可用于解決現(xiàn)實(shí)世界中與商業(yè)相關(guān)的問題。
△隨機(jī)電路采樣（RCS）雖然對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)來說極具挑戰(zhàn)性，但尚未展示出實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用。
谷歌希望邀請(qǐng)研究人員、工程師和開發(fā)人員加入其旅程，查看其開源軟件和教育資源，包括在Coursera上的新課程，開發(fā)人員可以在那里學(xué)習(xí)量子糾錯(cuò)的要領(lǐng)，并幫助我們創(chuàng)建可以解決未來問題的算法。
“我的同事有時(shí)會(huì)問我，為什么我離開了新興的人工智能領(lǐng)域，專注于量子計(jì)算。我的答案是，兩者都將被證明是我們這個(gè)時(shí)代最具變革性的技術(shù)，但先進(jìn)的人工智能將從量子計(jì)算中受益匪淺。這就是為什么我把我們的實(shí)驗(yàn)室命名為量子人工智能。量子算法有基本的縮放定律，正如我們?cè)赗CS中看到的那樣。對(duì)于許多對(duì)人工智能至關(guān)重要的基礎(chǔ)計(jì)算任務(wù)來說，也有類似的縮放優(yōu)勢(shì)�！�
哈特穆特內(nèi)文表示：“因此，量子計(jì)算對(duì)于收集經(jīng)典機(jī)器無法訪問的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、訓(xùn)練和優(yōu)化某些學(xué)習(xí)架構(gòu)，以及在量子效應(yīng)很重要的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模都是不可或缺的。這包括幫助我們發(fā)現(xiàn)新藥，為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)更高效的電池，以及加快聚變和新能源替代品的進(jìn)展。許多未來改變游戲規(guī)則的應(yīng)用程序在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上是不可行的。它們正等待著用量子計(jì)算解鎖。”
編輯：芯智訊-浪客劍
